СИСТЕМА БЕСКОНТАКТНОЙ ЗАРЯДКИ ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТА ВО ВРЕМЯ ДВИЖЕНИЯ Российский патент 2024 года по МПК B60L53/12 B60L50/60 

Изобретение относится к области электрического транспорта и может быть использовано для электропитания электротранспортных средств (электробусы, грузовой электротранспорт, электромобили).

Для эффективной эксплуатации электротранспорта требуется обеспечение подзарядки аккумуляторов на маршруте движения. Это позволяет уменьшить вес и стоимость аккумуляторов. Бесконтактные системы зарядки должны обеспечивать передачу в приемную систему транспортного средства электрической мощности 100-300 кВт во время движения по выделенной для зарядки полосе движения.

Известна система подзарядки аккумуляторов во время движения с использованием трех выдвижных скользящих контактных элементов (www.elonroad.com… Еlonroad_intro 1,2.pdf). Эта система включает в себя кусочно-проводящие рейки, располагаемые посередине выделенной полосы движения электротранспорта для зарядки в движении. Они могут быть помещены сверху дороги или встроены в дорогу. Во время движения приемное устройство электротранспортного средства с тремя скользящими контактами под днищем соединяется с проводящими питающими участками электрической рейки. Благодаря этим контактам обеспечивается питание электродвигателей транспортного средства в движении и зарядка его аккумулятора. Заряжающий участок рейки работает только тогда, когда он находится под транспортным средством.

Недостатком системы является сложность механического устройства выдвижения и подъема скользящих контактов, располагаемых под днищем, открытый доступ к контактам и их подверженность влиянию атмосферных осадков.

Известна система для бесконтактной зарядки аккумуляторов электротранспортного средства во время движения при передаче электрической мощности через электрическое поле между двумя передающими проводящими пластинами, располагаемыми под дорогой, и двумя принимающими пластинами, расположенными под днищем электротранспортного средства (Theodoridis, M. P. Effective capacitive power transfer, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 27, No. 12, 4906-4913, 2012). На передающие пластины подается противофазное напряжение, тогда между приемными пластинами, соединенными нагрузкой выпрямителя, протекает высокочастотный ток.

Недостатком системы бесконтактной зарядки является сильная зависимость переданной мощности от влажности дорожного покрытия и придорожных слоев воздуха, зависящей от уровня атмосферных осадков. Кроме того, высокое напряжение (до 50 кВ) на пластинах представляет сложность в обеспечении безопасности, а высокая мощность и частота электрического поля (1-13 МГц) приводят к недопустимо высокому уровню радиоизлучения, который ограничивается как нормами на частоту и мощность радиоизлучения, так и санитарными нормами.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является система индукционной резонансной бесконтактной зарядки (J. Shin, S. Shin, Y. Kim, S. Ahn, S. Lee, G. Jung, S.-J. Jeon, and D.-H. Cho “Design and implementation of shaped magnetic-resonance-based wireless power transfer system for roadway-powered moving electric vehicles,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 61, no. 3, pp. 1179–1192, Mar. 2014). Эта система содержит передающие плоские катушки индуктивности, расположенные под дорожным полотном, каждая из которых подключена через компенсирующий конденсатор к инвертору, преобразующему мощность, потребляемую от сети с частотой 50 Гц, в высокочастотную (100 кГц) мощность, подаваемую на передающую плоскую катушку индуктивности, и приемную плоскую катушку индуктивности, установленную под днищем транспортного средства и подключенную через компенсирующую емкость к бортовому выпрямителю в цепи зарядки аккумулятора транспортного средства.

Работа системы основана на использовании плоских связанных по магнитному полю катушек индуктивности, между которыми осуществляется передача электромагнитной энергии. Инвертор подключен к электрической сети с частотой 50 Гц и преобразует потребляемую от сети мощность в высокочастотную (100 кГц) мощность, подаваемую на передающую плоскую катушку. Когда над этой катушкой появляется электротранспортное средство с расположенной на его днище приемной плоской катушкой, то передающая катушка подключается к инвертору и происходит передача мощности на приемную катушку через переменное магнитное поле. Для компенсации реактивной части импеданса катушек к ним последовательно подключаются конденсаторы. Эффективность передачи мощности от катушки к катушке в зависимости от расстояния между ними и может достигать 90-95%. Для обеспечения зарядки электротранспорта во время движения передающие катушки располагаются под дорожным покрытием вдоль выделенной полосы движения и поочередно подключаются к инверторам, преобразующим напряжение сети с частотой 50 Гц в напряжение в несколько кВ с частотой 100 кГц.

Недостатками такой системы являются высокая сложность эксплуатации системы с множеством переключаемых передающих катушек, находящихся под высоким напряжением (в резонансе до 50 кВ), и сложных по конструкции инверторов большой мощности, что предопределяет высокую стоимость таких систем (2-3 млн евро на 1 км), а также высокий уровень радиоизлучения на частоте 100 кГц и ее гармониках, нарушающий требования ГКРЧ, и нарушение санитарных норм по воздействию высокочастотных электромагнитных полей на человека на частотах свыше 0.8 кГц.

Технической проблемой, решаемой настоящим изобретением, является устранение отмеченных недостатков известной системы, которое достигается значительным упрощением конструкции системы, уменьшением количества используемых элементов, а также устранением из конструкции сложных инверторов, благодаря применению непосредственного питания передающих катушек от трехфазной электрической сети 50 Гц, что значительно снижает стоимость системы.

Технический результат изобретения заключается в упрощении конструкции системы при сохранении электрических характеристик и, как следствие, в упрощении эксплуатации и ремонта системы, а также в устранении радиоизлучения и нарушения санитарных норм.

Технический результат достигается тем, что система бесконтактной зарядки электротранспорта в движении, содержащая передающие катушки индуктивности, расположенные под дорожным полотном, каждая из которых последовательно подключена через компенсирующий конденсатор и выключатель к источнику электропитания, по крайней мере, одну приемную катушку индуктивности, расположенную под днищем электротранспорта, подключенную через компенсирующий конденсатор к бортовому выпрямителю в цепи зарядки аккумулятора транспортного средства, согласно изобретению, в качестве источника электропитания содержит 3-фазную энергосеть, включает участки зарядки в виде трехфазных зарядных секций, каждая из которых содержит два параллельных магнитопровода, ориентированных вдоль направления движения, в центре каждой фазной зарядной секции магнитопроводы соединены отрезком магнитопровода с намотанной на него передающей катушкой, которая подключена между соответствующими фазами 3-фазной энергосети, приемная катушка расположена на перпендикулярном оси электротранспортного средства отрезке магнитопровода между торцевыми магнитопроводами.

Система бесконтактной зарядки электротранспорта в движении может содержать две и более последовательно соединенные приемные катушки, при этом расстояние между фазными зарядными секциями не менее расстояния между крайними приемными катушками. Торцевые магнитопроводы приемных катушек выполнены подвижными в вертикальном направлении.

Изобретение поясняется чертежами:

на фиг. 1 показана конструкция участка зарядки из трех фазных зарядных секций;

на фиг. 2. - вид электробуса сзади;

на фиг. 3 - вид сбоку рабочего положения электробуса над фазной зарядной секцией;

на фиг. 4 - схема соединения двух приемных катушек с выпрямительным устройством (ВУ) и аккумулятором (Ак) электробуса;

на фиг. 5. Зависимость напряжения на нагрузке (ВУ) от времени при движении электробуса над фазной секцией со средней скоростью V_ср = 10 м/с.

На чертежах обозначено:

1 - магнитопроводы фазных зарядных секций;

2 - магнитопроводы передающих катушек;

3 - магнитопровод приемной катушки;

4 - торцевой магнитопровод приемной катушки.

L_ф - передающие катушки фазных зарядных секций.

С_ф - компенсирующие конденсаторы фазных зарядных секций.

С_п - компенсирующая емкость приемных катушек.

L₁, L₂ – приемные катушки, соединённые последовательно.

В₁, В₂, В₃ – фазные выключатели.

ВУ – выпрямительное устройство.

Ак – аккумулятор электробуса.

Система бесконтактной зарядки электротранспорта в движении содержит участки зарядки в виде трех фазных зарядных секций, расположенных под дорожным полотном. Каждая секция состоит из двух параллельных магнитопроводов 1, соединенных в центре отрезком магнитопровода 2 с передающей катушкой L_ф. Каждая передающая катушка с компенсирующим конденсатором С_ф последовательно непосредственно подсоединена между фазами 3-фазной питающей энергосети (380 В, 50 Гц) через фазные выключатели В₁, В₂, В₃. Одна или несколько приемных катушек L₁, L₂ расположены под днищем электротранспортного средства на перпендикулярном оси электротранспортного средства отрезке магнитопровода 3, который может иметь подвижные торцевые части 4, причем две или более приемных катушек соединены последовательно и подключены к выпрямляющему устройству (ВУ) в цепи зарядки аккумулятора (Ак) электротранспортного средства, а компенсирующий конденсатор С_п соединен последовательно с приемными катушками.

Система бесконтактной зарядки электротранспорта (далее - электробуса) в движении может иметь зарядную станцию из многих таких участков зарядки.

Фазная зарядная секция состоит из двух параллельных магнитопроводов 1 длиной Д_фс, ориентированных вдоль направления движения электробуса, передающей катушки L_ф, сформированной на магнитопроводе 2, расположенном в середине зарядной секции перпендикулярно магнитопроводам 1 и соединенным с ними для передачи магнитного потока. Передающая катушка подключается между фазами 3-фазной сети последовательно с компенсирующим конденсатором С_ф и выключателем В₁, который включается при появлении первой приемной катушки L₁ над магнитопроводами 1 и выключается при покидании приемной катушки L₂ электробуса зарядной секции. Расстояние между фазными зарядными секциями не менее расстояния Р_к между приемными катушками L₁ и L₂. Тогда при появлении приемной катушки L₁ над магнитопроводами второй секции процесс передачи электрической мощности посредством магнитного потока повторяется. Аналогичный процесс происходит и в третьей секции зарядного участка.

На фиг. 2 видно рабочее положение приемной катушки L₂ над магнитопроводами 1 фазной зарядной секции с передающей катушкой L_ф, запитанной от 3-фазной сети напряжением 380 В. Показана возможность опускания торцевых магнитопроводов 4, что повышает принимаемую мощность.

Возможное расположение двух последовательно соединенных приемных катушек L₁ и L₂ в электробусе и вид сбоку фазной зарядной секции с передающей катушкой L_ф показано на фиг. 3. Система бесконтактной зарядки электротранспорта в движении работает следующим образом. Предположим, что на электробусе установлено две приемных катушки, как показано на фиг. 3. При появлении первой приемной катушки электробуса над магнитопроводами первой фазной зарядной секции включается выключатель В₁, на цепь (L_ф, С_ф) подается напряжение между первой и второй фазами 3-фазной сети питания (U₁-U₂), магнитный поток, создаваемый передающей катушкой L_ф в магнитопроводе 2, поступает в магнитопровод 1, а из него через воздушный зазор и торцевой магнитопровод 4 магнитный поток поступает в магнитопровод приемной катушки 3. По закону Фарадея магнитный поток, изменяющийся с частотой 50 Гц, создает на приемной катушке ЭДС с частотой 50 Гц, которая возбуждает ток в цепи (L₁, L₂, С_п, ВУ), (фиг. 4). При движении электробуса через какое-то время над магнитопроводами 1 фазной зарядной секции появится вторая приемная катушка. При этом ЭДС обеих катушек складываются, и ток в зарядной цепи возрастает. При превышении напряжения на выходе ВУ электробуса требуемого для зарядки аккумулятора напряжения, начинается подзарядка аккумулятора (Ак). При покидании второй приемной катушки электробуса первой фазной секции выключатель В₁ отключает соединение с первой фазой питающего напряжения и зарядный ток прекращается. Фазные зарядные секции расположены друг от друга на расстоянии не менее расстояния между приемными катушками Р_к. Тогда при движении электробуса ко второй зарядной секции, а затем и к третьей зарядной секции, процесс зарядки его аккумулятора происходит аналогично.

Пример конкретного исполнения

Зарядная станция системы бесконтактной зарядки электротранспорта в движении может иметь протяженность до нескольких километров. Она состоит из набора участков зарядки, изображенных на фиг. 1. Для передачи мощности зарядки около 100 кВт длина магнитопроводов фазных зарядных секций, исходя из длины электробуса 12 м, расстояния между приемными катушками Р_к = 8 м и эффективности передачи мощности 90%, составляет Д_фс = 16 м, сечение всех магнитопроводов квадратное 200×200 мм². Передающая катушка L_ф имеет N₁ = 10 витков, суммарное число витков в приемных катушках (L₁ + L₂) N₂ = 500. Компенсирующий конденсатор передающей катушки имеет ёмкость С_ф = 950 мкФ, компенсирующий конденсатор приемных катушек имеет ёмкость С_п = 49 мкФ. При таких параметрах выходное напряжение приемной системы изменяется, как показано на фиг. 5, в зависимости от времени прохождения приемных катушек электробуса над магнитопроводами 1 в интервале (0, t_ф), где время прохождения фазной секции определяется по формуле

t_ф = (Д_фс+ Р_к)/V_ср ,

где V_ср – средняя скорость электробуса при прохождении фазной секции. Значение t = 0 соответствует положению первой приемной катушки над началом магнитопровода 1, а значение t = t_ф соответствует положению второй приемной катушки над концом магнитопровода 1. Графики на фиг. 5. соответствуют высоте торцевых магнитопроводов 4 над магнитопроводами первой фазной секции: сплошная линия – 100 мм, пунктирная линия - 300 мм. Из фиг. 5 видно, что при движении электробуса над фазной секцией длиной 16 м время зарядки при минимальном действующем напряжении зарядки, например, 600 В составляет 1.2 с. В течение этого времени на нагрузку сопротивлением 3 Ом передаётся средняя мощность 120 кВт и энергия заряда 0.04 кВт*час. Тогда с участка зарядки аккумулятор электробуса в движении получит 0.12 кВт*час, а при прохождении 1 км с 14 участками зарядки общий заряд аккумулятора составит около 1.7 кВт*час. Если зарядная секция расположена на остановке, то в течение 12 сек. (среднее время остановки) аккумулятор получит энергию 0.4 кВт*час, а если на 1 км пути электробус сделает 3 остановки, то общий заряд аккумулятора увеличивается примерно до 3 кВт*час, что полностью компенсирует средний расход аккумулятора электробуса. При создании такой системы бесконтактной зарядки электробусов ёмкость их аккумуляторов может быть значительно уменьшена. При необходимости фиксации зарядного напряжения вблизи заданного значения система может предусматривать его регулировку за счет подъема/опускания торцевых магнитопроводов 4. Тогда пределы регулировки определяются графиками на фиг. 5.

В заявляемой системе бесконтактной зарядки электротранспорта в движении отсутствуют дорогостоящие инверторы, преобразующие энергию электросети в высокочастотное (85 кГц) высоковольтное (1000 В) напряжение, подаваемое на передающую катушку, что упрощает конструкцию системы, повышает ее надежность и значительно (в разы) снижает стоимость системы и эксплуатационные расходы, а рабочая частота предложенной системы составляет 50 Гц, что устраняет радиоизлучение в запрещенных диапазонах и нарушение санитарных норм.

Изобретение относится к системе бесконтактной зарядки электротранспорта в движении. Система содержит: передающие катушки индуктивности и по крайней мере одну приемную катушку индуктивности. Передающие катушки расположены последовательно под дорожным полотном. Приемная катушка расположена под днищем электротранспорта. Участки зарядки сформированы в виде трехфазных зарядных секций. Каждая секция содержит два параллельных магнитопровода, ориентированных вдоль направления движения. В центре каждой фазной зарядной секции магнитопроводы соединены отрезком магнитопровода с намотанной на него передающей катушкой. Передающая катушка подключена между соответствующими фазами трехфазной питающей энергосети. Приемная катушка расположена на перпендикулярном оси электротранспортного средства отрезке магнитопровода, между торцевыми магнитопроводами. Достигается устранение радиоизлучения в запрещенном диапазоне волн. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Система бесконтактной зарядки электротранспорта в движении, содержащая передающие катушки индуктивности, расположенные под дорожным полотном, каждая из которых последовательно подключена через компенсирующий конденсатор и выключатель к источнику электропитания, по крайней мере одну приемную катушку индуктивности, расположенную под днищем электротранспорта, подключенную через компенсирующий конденсатор к бортовому выпрямителю в цепи зарядки аккумулятора транспортного средства, отличающаяся тем, что включает участки зарядки в виде трехфазных зарядных секций, каждая из которых содержит два параллельных магнитопровода, ориентированных вдоль направления движения, в центре каждой фазной зарядной секции магнитопроводы соединены отрезком магнитопровода с намотанной на него передающей катушкой, которая подключена между соответствующими фазами трехфазной питающей энергосети, выбранной в качестве источника электропитания, приемная катушка расположена на перпендикулярном оси электротранспортного средства отрезке магнитопровода между торцевыми магнитопроводами.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что она содержит не менее двух последовательно соединенных приемных катушек, при этом расстояние между фазными зарядными секциями не менее расстояния между крайними приемными катушками.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что торцевые магнитопроводы приемных катушек выполнены подвижными в вертикальном направлении.